超聲振動精密車削加工的試驗研究

李文杰

(西安航空職業技術學院，陜西西安710089)

隨著近年來航空宇航制造業的快速發展，為了滿足零部件日益提高的加工要求，許多新型的加工方法也在不斷研究和應用。超聲振動車削具有切削力小、生產效率高等特點，可以使零件的加工精度和表面質量獲得很大程度的提高。通過對45號鋼進行超聲振動精密車削試驗，獲得了良好的加工效果和表面質量，在很大程度上可以代替磨削對零件進行精加工，從而為實現精密加工提供了一條新的途徑和方法。

1 超聲振動精密車削加工的機制分析

(1)超聲振動車削時，刀具在有規律的高頻振動狀態下進行切削，切削速度的大小和方向在不斷變化，是一種高速沖擊和切削的聯合作用，具有振動沖擊和變速、斷續切削的特點，大大減小了切削力、摩擦因數和切削熱，為實現精密加工提供了條件;

(2)超聲振動切削加強了刀刃的切割作用和穿透能力，減弱了刀刃的推擠作用，當金屬材料的晶格缺陷吸收了超聲能量后，位錯能增加，激化了位錯，從而降低了金屬的變形抗力，使塑性變形能增加，這就使切削變得容易，加工質量易于得到保證;

(3)超聲振動車削的刀具可以視為脈沖熱源，能量都集中在切削部位的極小范圍內，可以使刀刃前的工件材料產生滑移運動和局部熱，從而使這部分材料產生局部軟化，破壞了積屑瘤產生的條件，有利于提高零件表面的加工質量;

(4)由于超聲振動切削時的高頻振動作用和往復熨壓作用可以使已加工表層材料產生應變速率硬化和變形硬化，使車削后的表面硬化程度高于普通車削，在表面產生殘余壓應力，而且表面基本上不存在微裂紋等幾何缺陷，有利于提高屈服強度，從而形成良好的表面加工質量。

2 試驗設備和工件

2.1 試驗設備

C6140普通車床一臺;超聲波發生器一臺，額定電壓為220 V，工作頻率為50 Hz，輸出頻率為(20±1)kHz;超聲車削工具系統，工作頻率為20 kHz;刀尖振幅為15 μm，刀尖圓弧半徑為1 mm。

2.2 試驗工件

試驗采用的試件材料為45號鋼，經車削加工成φ32×300實心軸，在進行超聲車削精加工前，零件已進行了半精加工。試驗裝置如圖1所示。

圖1 超聲振動車削加工裝置圖

3 試驗方法

3.1 對比試驗法

對半精加工后的試件，改變切削深度和原始的表面粗糙度，然后分別進行超聲波車削加工和普通車削加工試驗，分別測量加工后的表面粗糙度值，其工藝參數和試驗結果如表1所示。

表1試驗參數及結果

3.2 正交試驗法

在正交試驗中，以車削加工后的表面粗糙度為主要指標，將車刀幾何參數和振幅等因素固定不變，選擇工件轉速、進給量、原始表面粗糙度和切削深度為試驗因素，如表2所示，試驗中選用的正交表為L9(34)。

表2 正交試驗的因素及水平

4 試驗結果與分析

4.1 對比試驗結果分析

從表1可以看出:在同等條件下，超聲振動車削的加工效果明顯優于普通車削，加工后的表面粗糙度可以得到顯著的降低;在相同的振幅和切削條件下，隨著切深和原始表面粗糙度的增加，加工后表面粗糙度也隨著增大。這是因為超聲振動精密切削加工是一種微量的切削過程，當切深和原始表面粗糙增加時，刀尖的振動沖擊和熨平的效果就變差，而且容易引起工藝系統的振動，加工后的表面質量也會隨著變差。圖2所示為不同切深和原始表面粗糙度下的工件表面。

圖2 不同切深和原始表面粗糙度下的工件表面

4.2 正交試驗結果分析

正交試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗結果

采用極差分析的方法對正交試驗的結果進行分析，各因素不同水平的平均值K和極差R如表4所示。因素的極差越大，說明該因素對試驗結果的影響越大，也是影響加工效果的主要因素，由表4可以看出各因素對試驗結果影響的順序依次為:原始表面粗糙度，切深，進給量和工件轉速。

表4 各因素的平均值和極差值

4.3 影響表面粗糙度的因素分析

以各因素的不同水平為橫坐標，以試驗各因素不同水平的平均值K為縱坐標，畫出各因素對車削表面粗糙度的影響趨勢如圖3所示。

由圖3可以看出:零件的原始粗糙度越大，經超聲車削加工后的表面粗糙度越大，如圖3(a)所示，經試驗證明，在超聲車削精加工中原始粗糙度值在1.1～3.2 μm之間比較經濟合理;隨著轉速和進給量的增加，經超聲車削加工后的表面粗糙度都有一個先減小再增加的趨勢，變化程度比較緩慢，在加工中存在一個合理的取值范圍，應該根據具體的加工對象進行選擇;在刀尖從剛接觸工件到切削深度逐漸增加的過程中，粗糙度呈現一個先減小再急劇增加的趨勢，表面質量也隨之變差，如圖3(d)所示，大量試驗表明在用超聲振動車削進行精加工的時候，理想的切削深度應該在0.015～0.025 mm之間。

圖3 各因素對表面粗糙度的影響趨勢圖

5 結論

(1)超聲振動車削精加工可以有效降低表面粗糙度，適合于半精加工之后對零件進行精密加工，但是只有當原始粗糙度和切削深度控制在一定范圍的時候才可以取得良好的加工效果;

(2)此次超聲振動車削試驗合理的工藝參數組合為A3B2C2D2，即在加工材料為45號鋼時，直徑為φ32，長度為300 mm時，最優的加工參數為:原始粗糙度為1.032 μm，工件轉速為530 r/min，進給量為0.05 mm/r，切削深度為0.02 mm。

(3)基于超聲振動車削的精加工是實現精密加工的一個簡單、經濟有效的方法，加工設備簡單而且易于獲得良好的表面加工質量。

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